阅读说明：本技术 一种高可靠性的应变量子阱激光器的外延片生长方法 (Epitaxial wafer growth method of high-reliability strain quantum well laser ) 是由 张帆 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高可靠性的应变量子阱激光器的外延片生长方法,包括准备衬底；在衬底上依次生长Si缓冲层,Si过渡层,Si下限制层,下波导层,MQW有源区,上波导层,Zn上限制层,Zn帽层,Zn光栅层,Zn空间层,Zn梯度层,Zn接触层,Zn盖层。Si下限制层和Zn上限制层分别为上下δ掺杂限制层结构。与现有工艺相比,此δ结构可以保证一定程度上提升电子/空穴浓度,同时拉远了其限制层与有源区的界面接触,减少了Zn与Si向有源区的扩散,以此改善有源区的晶体质量,从而提升了应变量子阱激光器的可靠性。(The invention provides a method for growing an epitaxial wafer of a high-reliability strain quantum well laser, which comprises the steps of preparing a substrate; a Si buffer layer, a Si transition layer, a Si lower limiting layer, a lower waveguide layer, a MQW active region, an upper waveguide layer, a Zn upper limiting layer, a Zn cap layer, a Zn grating layer, a Zn spatial layer, a Zn gradient layer, a Zn contact layer and a Zn cap layer are sequentially grown on a substrate. The Si lower limiting layer and the Zn upper limiting layer are respectively of an upper delta doping limiting layer structure and a lower delta doping limiting layer structure. Compared with the prior art, the delta structure can ensure that the electron/hole concentration is improved to a certain degree, simultaneously, the interface contact between the limiting layer and the active region is further widened, the diffusion of Zn and Si to the active region is reduced, the crystal quality of the active region is improved, and the reliability of the strain quantum well laser is improved.)

一种高可靠性的应变量子阱激光器的外延片生长方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，特别是一种高可靠性的应变量子阱激光器的外延片生长方法。

背景技术

在半导体激光器中由于Al(Ga)InP材料DFB激光器具有单模输出，窄线宽等特点，非常适合做长距离和高速率的光通信传输，因此被大量应用在光纤网，PON, 数据中心等领域。Al(Ga)InP材料导热性差，容易产生热饱和，限制了常规激光器的高温工作特性，因此降低Al(Ga)InP材料激光器的串联电阻已成为一个具备挑战性的课题，而提高限制层电子/空穴浓度是减少串联电阻的有效途径。

发明内容

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

准备衬底；

在所述衬底上依次生长Si doped InP buffer缓冲层, Si doped (AlXGa)InyAs过渡层, Si doped InxAlAs下限制层, (AlXGa)InyAs下波导层，(AlXGa)InyAs MQW有源区，(AlXGa)InyAs上波导层，Zn doped InxAlAs上限制层，Zn doped InP 帽层, Zn dopedGaInxAsyP光栅层，Zn doped InP空间层，Zn doped GaxInAsyP梯度层，Zn doped InGaAs接触层，Zn doped InP盖层；Si doped InxAlAs下限制层和所述Zn doped InxAlAs上限制层分别为上下δ掺杂限制层结构，即为δSi doped InxAlAs和δZn doped InxAlAs。

生长采用的方法是通过控制通入相应气体的组分和浓度，与本发明相同的现有技术方案就不再赘述。

优选地，准备InP衬底：将InP衬底放在生长室内，H2环境下升温到710-730℃，100mbar-200mbar的压力条件下，烘烤10-20min，再通入PH3。

优选地，Si doped InP缓冲层的生长：将生长室内的环境缓慢降至670-690℃，100mbar-200mbar的压力条件下，通入TMIn和SiH4,保证其掺杂浓度为0.1-2e18cm-2，以此条件生长Si doped InP缓冲层，Si doped buffer缓冲层为均匀掺杂的体结构。

优选地，Si doped (AlXGa)InyAs过渡层的生长：保持670-690℃的生长环境，100mbar-200mbar的压力条件下，关闭PH3,保持TMIn通入，同时通入AsH3,TMAl, TMGa，再2步骤生长的Si doped InP缓冲层上生长Si doped (AlXGa)InyAs过渡层，其掺杂浓度为0.5-2e18cm-2。

优选地，δ-Si doped InxAlAs下限制层的生长：保持670-690℃的生长环境，100mbar-200mbar的压力条件下，关闭TMGa，保持TMAl,TMIn，SiH4通入先生长10-15s，然后再关闭SiH4,同样的生长条件再生长10-15s,以此为一个周期性结构，生长5-10个循环，保证其掺杂浓度为0.5-2e18cm-2，其δ doping 掺杂以nun…u夹层形式生长，n为Si dopedInxAlAs层，u为非掺杂的InxAlAs层，最后一层为非掺杂的InxAlAs层。

优选地，非掺杂的(AlXGa)InyAs下波导层的生长：保持670-690℃的生长环境，100mbar-200mbar的压力条件下，X为渐变形成渐变带隙，拆分为四段生长，SiH4关闭，通入TMAl,TMIn,TMGa,下波导层共分4段生长，TMAl组分由多减少，逐层减少10%，同时TMIn组分由少变多，逐层增加10%。

优选地，(AlXGa)InyAs MQW有源区的生长：保持670-690℃的生长环境，100mbar-200mbar的压力条件下，通入TMGa，TMAl, TMIn，AsH3,先生长一层QB层，再生长一层QW层，以此为一个周期，生长7-9个循环，最后再生长一层QB层，其中0.2≤x≤0.7。MQW有源区为应变量子阱，分别为压应变QW层以及张应变QB层，QW为禁带宽度较小的(AlXGa)InyAs层，其呈现为压应变，QB为禁带宽度较大的(AlXGa)InyAs层，其呈现为张应变，其应变大小以及形式通过调整X来实现，先生长一层QB层，再生长QW层，依次累积，最后一层为QB层。

优选地，非掺杂的(AlXGa)InyAs上波导层的生长：保持670-690℃的生长环境，100mbar-200mbar的压力条件下，SiH4关闭，通入TMAl,TMIn,TMGa,上波导层共分4段生长，TMAl组分由变多，逐层增加10%，同时TMIn组分由多变少，逐层减少10%；X为渐变形成渐变带隙，拆分为四段生长，与下波导层的X相照应。

优选地，δ-Zn doped InxAlAs上限制层的生长：保持670-690℃的生长环境，100mbar-200mbar的压力条件下，关闭TMGa，保持TMAl,TMIn，先生长10-15s，然后通入DEZn,同样的生长条件再生长10-15s,以此为一个周期性结构，生长5-10个循环，保证其掺杂浓度为1-3e17cm-2；生长δ-Zn doped InxAlAs上限制层，其δ doping 掺杂以upu…p夹层形式生长，p为Zn doped InxAlAs层，u为非掺杂的InxAlAs层，最后一层为Zn doped InxAlAs层。

优选地，Zn doped InP帽层的生长：保持670-690℃的生长环境，100mbar-200mbar的压力条件下，关闭TMGa,TMAl,AsH3，保持TMIn，DEZn打开，通入PH3, 保证其掺杂浓度为5-8e17 cm-2。

优选地，制备Zn doped GaInxAsyP光栅层，其掺杂浓度为5-8e17 cm-2，包括1）制备GaInxAsyP光栅，2）准备制备过GaInxAsyP光栅的产品：将准备好的已制备过GaInxAsyP光栅的产品清洗之后放入反应室内，H2环境下升温到710-730℃的生长环境，100mbar-200mbar的压力条件下，烘烤7-13min，再通入PH3。

优选地，制备Zn doped InP空间层的生长:

包括1)低温Zn doped InP空间层的生长: 将生长室内的环境缓慢降至630-650℃，100mbar-200mbar的压力条件下，通入TMIn和DEZn,保证其掺杂浓度为5-8e17 cm-2,以此条件生长低温Zn doped InP空间层，保证其掺杂5-8e17 cm-2;2)高温Zn doped InP空间层的生长: 将生长室内的环境缓慢升至650-670℃，保证TMIn和PH3以及DEZn通入，生长高温Zndoped InP空间层，保证其掺杂浓度需>1e18 cm-2。

优选地，Zn doped GaxInAsyP梯度层的生长：保持650-670℃的生长室环境温度，100mbar-200mbar的压力条件下，通入TMGa，AsH3,该层分为两段生长，其中0.1≤x≤0.4,保证其掺杂浓度均>3 e18 cm-2。

优选地，Zn doped InGaAs接触层的生长：保持650-670℃的生长室环境温度，100mbar-200mbar的压力条件下，关闭PH3，保持通入TMIn， TMGa，AsH3，在此条件下生长InGaAs接触层，保证其掺杂浓度需>1e19 cm-2。

优选地，Zn doped InP盖层的生长：保持650-670℃的生长室环境温度，100mbar-200mbar的压力条件下，关闭AsH3,TMGa,TMIn,DEZn，再通入TMIn,PH3.DEZn,生长InP盖层。

本发明的有益效果为：

1)通过采用上下δdoping限制层结构来提升电子/空穴浓度来降低Al(Ga)InP材料激光器的串联电阻，同时拉远了其限制层与MQW有源区的界面接触，减少了Zn与Si向MQW有源区的扩散，以此改善MQW有源区的晶体质量，从而提升了应变量子阱激光器的可靠性。

2)本发明采用多层次多组分的生长层协同提高限制层电子/空穴浓度，降低Al(Ga)InP材料激光器的串联电阻。

具体实施方式

以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1、一种高可靠性的应变量子阱激光器的外延片生长方法， 包括以下工艺步骤：

1）将InP衬底放在生长室内，H2环境下升温到730℃，烘烤20min，再通入PH3;

2）在150mbar压力下，降温至690℃，生长一层厚度为0.75um 的Si doped buffer缓冲层，保证其掺杂浓度为0.15e18cm-2；

3）在150mbar压力，温度为690℃下，生长一层厚度为0.01um的Si doped (Al_0.9Ga)In_0.53As过渡层，保证其掺杂浓度为1.0e18cm-2;

4）在150mbar压力，温度为690℃下，生长一层3nm非掺杂的In_0.48AlAs，同一压力条件同一温度下,生长一层4nm的Si doped InxAlAs, 交替连续生长9个周期，保证其掺杂浓度为1.5e18cm-2，此为总厚度为63nm的δSi doped InxAlAs下限制层；

5）在150mbar压力，温度为690℃下，生长一层总厚度为60nm的(Al_xGa)In_YAs下波导层，共分4段生长，第一段为15nm的(Al_0.8Ga)In_0.53As 层，TMAl组分逐层减少10%，同时TMIn组分逐层增加10%；

6）在150mbar压力，温度为690℃下，生长一层10nm的(Al_0.4Ga)In_0.45As的QB层，再生长一层5nm的(Al_0.5Ga)In_0.7As的QW层，以此为一个周期，生长7个循环，最后再生长一层QB层，此连续的周期性结构即为 (AlxGa)InyAs MQW有源区;

7) 在150mbar压力，温度为690℃下，生长一层总厚度为60nm的(Al_XGa)In_YAs下波导层，共分4段生长，第一段为15nm的(Al_0.5Ga)In_0.93As 层TMAl组分逐层增加10%，同时TMIn组分逐层减少10%；

8) 在150mbar压力，温度为690℃下，生长一层3nm非掺杂的In_0.48AlAs，同一压力条件同一温度下,生长一层4nm的Zn doped In_0.48AlAs, 交替连续生长9个周期，保证其掺杂浓度为3e17cm-2，此为总厚度为63nm的δZn doped In_0.48AlAs下限制层；

9) 在150mbar压力，温度为690℃下，生长一层厚度为150nm的Zn doped InP帽层，保证其掺杂浓度为8e17 cm-2;

10）生长所述上Zn doped GaInxAsyP光栅层，将准备好的已制备过GaInxAsyP光栅的产品清洗之后放入反应室内，H2环境下升温到730℃的生长环境，烘烤13min，再通入PH3；

11）在150mbar压力，温度为620℃下，生长一层厚度为150nm的Zn doped InP空间层，保证其掺杂浓度为8e17 cm-2；

12）在150mbar压力，温度为670℃下，生长一层厚度为300nm的Zn doped InP空间层，保证其掺杂浓度为1e18 cm-2；

13）在150mbar压力，温度为670℃下，生长一层厚度为1400nm的Zn doped InP空间层，保证其掺杂浓度为2e18 cm-2；

14) 在150mbar压力，温度为670℃下，生长一层厚度25nm的Zn doped Ga0.2InAs0.6P保证其掺杂浓度均为3.5 e18 cm-2;

15) 在150mbar压力，温度为670℃下，生长一层厚度25nm的Zn doped Ga0.4InAs0.8P保证其掺杂浓度均为3.5 e18 cm-2;

16）在150mbar压力，温度为670℃下，生长一层厚度220nm的Zn doped InGaAs接触层，保证其掺杂浓度为2.5e19 cm-2；

17）在150mbar压力，温度为670℃下，生长一层厚度20nm的Zn doped InP盖层，保证其掺杂浓度为5.0e18cm-2。

本发明制得的外延片的结晶质量明显提升：其中对比测试本发明与传统方法所制得的激光器在高温可靠性测试条件下，利用本发明制得的应变量子阱激光器的高温失效率明显低于传统方法约1.7%。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。